金屬基復(fù)合材料3D冷打印技術(shù)

供稿|張欣悅，郭志猛，楊薇薇，柏鑒玲，葉 青，張 超，朱國(guó)鋒，劉 娜，王靖元

金屬基復(fù)合材料3D冷打印技術(shù)

供稿|張欣悅，郭志猛*，楊薇薇，柏鑒玲，葉 青，張 超，朱國(guó)鋒，劉 娜，王靖元

內(nèi)容導(dǎo)讀

3D冷打印技術(shù)是一種在室溫或低溫(＜100℃)條件下打印金屬零件的新型3D打印技術(shù)。3D冷打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)制造工藝在外形上的限制和普通金屬3D打印技術(shù)在原材料選擇上的局限，可高效率、一體化地生產(chǎn)形狀十分復(fù)雜的金屬零部件。3D冷打印技術(shù)以低黏度的金屬料漿為打印原料，通過(guò)打印機(jī)噴頭將金屬料漿噴射到打印平臺(tái)上，同時(shí)以不同的加熱方式引發(fā)金屬料漿中有機(jī)體的聚合反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將金屬粉體固定，使金屬料漿迅速固化，實(shí)現(xiàn)金屬零件的逐層打印。文章重點(diǎn)介紹利用該核心技術(shù)——3D冷打印技術(shù)制造GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金封閉式葉輪和YG8硬質(zhì)合金角度銑刀的過(guò)程，并提出通過(guò)3D冷打印技術(shù)一體化成型結(jié)構(gòu)混雜復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理念——借鑒多噴頭彩色打印的原理，以多個(gè)噴頭交替噴射不同成分和含量的金屬料漿，即可同步打印結(jié)構(gòu)混雜復(fù)合材料，使得交替貼合、單面貼層、雙面貼層以及表面嵌條等結(jié)構(gòu)混雜類型中一種或多種組合構(gòu)成的復(fù)合材料能夠一體化成型。

3D冷打印技術(shù)

技術(shù)原理

3D冷打印技術(shù)是一種可打印成型金屬零件的新型3D打印技術(shù)。它以低黏度、高固相含量的金屬料漿作為打印時(shí)的“墨水”，通過(guò)打印機(jī)噴頭將金屬料漿噴射到打印平臺(tái)上，同時(shí)以化學(xué)引發(fā)、熱引發(fā)等方式引發(fā)料漿中有機(jī)單體的聚合反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將金屬粉體原位包覆固定[1-4]，使金屬料漿迅速固化，實(shí)現(xiàn)金屬零件坯體的逐層打印[5-6]。坯體經(jīng)干燥、脫脂和燒結(jié)得到致密金屬零件。整個(gè)打印過(guò)程在室溫或低溫(＜100℃)條件下進(jìn)行，因此被稱為“冷成型”。3D冷打印技術(shù)的原理如圖1所示，其中：(a) 圖為利用兩個(gè)噴頭交替作用使金屬料漿和化學(xué)引發(fā)劑混合，引發(fā)料漿原位固化；(b)圖為通過(guò)熱源使金屬料漿固化。

技術(shù)特點(diǎn)

3D冷打印技術(shù)建立在料漿澆注技術(shù)和增材制造理論的基礎(chǔ)之上，通過(guò)控制金屬料漿逐層固化、堆疊，來(lái)成型金屬零件坯體，其主要工藝特點(diǎn)如下：

1) 原材料范圍廣。3D冷打印技術(shù)對(duì)原料粉末要求低，大部分金屬粉末和陶瓷粉末都已開(kāi)發(fā)出了較為成熟的料漿體系，配制的料漿性能滿足3D冷打印技術(shù)要求。并且可較為方便地在料漿中添加所需組元粉末，利用金屬和金屬、金屬和非金屬的組合效果，生產(chǎn)各種復(fù)合材料和特殊性能材料。

圖 1 3D冷打印技術(shù)原理示意圖：(a) 化學(xué)引發(fā)；(b) 熱引發(fā)

2) 卓越的成型能力。3D冷打印技術(shù)能一體化成型具有任意復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的金屬零件坯體，坯體經(jīng)干燥、脫脂和燒結(jié)制得致密的金屬零件。

3) 產(chǎn)品精度高。3D冷打印設(shè)備打印精度可達(dá)到0.1mm，打印成型的零件坯體尺寸精度和表面精度高。

4) 設(shè)備造價(jià)低。冷打印過(guò)程中不使用高能束加熱熔融金屬粉末，因此無(wú)需高能束加熱融化系統(tǒng)和配套的高純惰性氣氛或高真空保護(hù)裝置，設(shè)備造價(jià)大幅度降低。

5) 生產(chǎn)效率高。通過(guò)對(duì)引發(fā)作用的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)料漿即時(shí)固化，生產(chǎn)周期短。技術(shù)的主要部分僅為成型和燒結(jié)，工序簡(jiǎn)單，無(wú)需繁雜的后續(xù)處理，易集成化，技術(shù)成熟后投入工業(yè)化生產(chǎn)可能性高。

3D冷打印技術(shù)以低黏度、高固相含量的金屬料漿為打印原料，打印成型的零件坯體成分均勻、密度高、尺寸精度和表面精度高；在干燥、脫脂和燒結(jié)過(guò)程中，坯體收縮均勻，燒成密度高，不易出現(xiàn)開(kāi)裂、翹曲和變形等缺陷，產(chǎn)品性能良好。3D冷打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)制造工藝在外形上的限制和普通金屬3D打印技術(shù)在原材料選擇上的局限，可高效率、一體化地生產(chǎn)形狀十分復(fù)雜的金屬零部件。

3D冷打印金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料(metal matrix composites，簡(jiǎn)稱MMC)是以金屬或合金為基體，以不同材料的顆?；蚶w維作為強(qiáng)化相的一種復(fù)合材料[7]。大多數(shù)金屬基復(fù)合材料都有一個(gè)共同點(diǎn)，即增強(qiáng)相分布相對(duì)均勻。但也有一些增強(qiáng)相特殊分布的金屬基復(fù)合材料，如原料混雜復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)混雜復(fù)合材料[8]。本文通過(guò)3D冷打印技術(shù)制造了GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金封閉式葉輪和YG8硬質(zhì)合金角度銑刀，并提出采用3D冷打印技術(shù)同步打印結(jié)構(gòu)混雜復(fù)合材料設(shè)想。

GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金封閉式葉輪

通過(guò)AutoCAD軟件建立如圖2所示封閉式葉輪三維模型，將封閉式葉輪模型三維線性尺寸按118%(燒結(jié)收縮比18%)放大，葉輪模型經(jīng)分層切片處理后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D冷打印設(shè)備中。

圖 2 封閉式葉輪三維模型

將有機(jī)單體丙烯酰胺(AM)、交聯(lián)劑N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)以適當(dāng)濃度溶解于去離子水中，制成有機(jī)單體AM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的預(yù)混液；向預(yù)混液中加入分散劑氨水后與適量的GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金粉末混合攪拌，在N2氣氛下球磨12 h，制得固相含量(體積分?jǐn)?shù))為57%的懸浮料漿，并對(duì)料漿進(jìn)行脫氣處理。

將GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金料漿輸送到3D冷打印設(shè)備中，打印機(jī)主噴頭按截面形狀將料漿連續(xù)定量地噴射到打印平臺(tái)上，同時(shí)控制輔助噴頭噴射一定量的催化劑N,N,N′,N′-四甲基乙二胺和引發(fā)劑過(guò)硫酸銨混合液體。噴射到打印平臺(tái)上的金屬料漿在20 s內(nèi)完全固化，如此層層堆疊，直至完全成型整個(gè)封閉式葉輪坯體。打印層厚為0.1 mm，打印速度為70 mm/s。以相同的GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金料漿和打印參數(shù)，打印出力學(xué)性能試樣坯體。

GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金封閉式葉輪坯體和力學(xué)性能試樣坯體于120℃真空干燥2 h。隨后在真空爐中400℃保溫2 h脫脂，并在800、1000和1100℃各保溫1 h排氣，最終升至燒結(jié)溫度1420℃保溫1 h。測(cè)試燒結(jié)態(tài)GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金力學(xué)性能試樣的密度、硬度和斷裂強(qiáng)度等性能。

圖3為通過(guò)3D冷打印技術(shù)制造的GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金封閉式葉輪。3D冷打印成型時(shí)打印層厚為0.1mm，因此封閉式葉輪坯體的尺寸精度和表面精度較高。燒結(jié)過(guò)程中坯體收縮均勻，整個(gè)封閉式葉輪除葉片連接處有稍許不平整外，其余部分表面光滑，形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計(jì)的目的及要求。

燒結(jié)態(tài)GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金性能如表1所示，表中一同列出了傳統(tǒng)粉末冶金工藝制造的GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金性能。對(duì)比可知3D冷打印成型的GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金力學(xué)性能與粉末冶金制品性能相近。

圖 3 GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金封閉式葉輪

表 1 燒結(jié)態(tài)GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金性能

YG8硬質(zhì)合金角度銑刀

使用ProE Wildfi re 5.0建立如圖4所示硬質(zhì)合金角度銑刀三維模型，將角度銑刀模型三維線性尺寸按120%(燒結(jié)收縮比20%)放大，角度銑刀模型經(jīng)分層切片處理后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D冷打印設(shè)備中。

圖 4 角度銑刀三維模型

將溶劑甲苯與有機(jī)單體甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)按體積比1∶1的比例混合，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的交聯(lián)劑N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺和0.03%的催化劑二甲基苯胺，充分溶解混合均勻，制得有機(jī)單體(HEMA)體積分?jǐn)?shù)為50%的預(yù)混液。在其中加入適量YG8硬質(zhì)合金粉末攪拌均勻，為控制其黏度低于1 Pa·s，使用超分散劑Solsperse-6000分散料漿中的YG8粉末，降低料漿黏度，提高其流動(dòng)性[10]，隨后在N2氣氛下球磨10 h獲得固相含量(體積分?jǐn)?shù))為58%的YG8硬質(zhì)合金懸浮料漿，并進(jìn)行真空脫氣處理。

通過(guò)3D冷打印設(shè)備打印成型YG8硬質(zhì)合金角度銑刀坯體，打印層厚為0.2 mm，打印速度為90 mm/s。打印過(guò)程中整個(gè)打印室溫度為60℃，使料漿固化反應(yīng)在30 s內(nèi)充分進(jìn)行。以相同的YG8硬質(zhì)合金料漿和打印參數(shù)，打印出力學(xué)性能試樣坯體。

將角度銑刀坯體和力學(xué)性能試樣坯體放置于真空干燥箱中，在80℃真空干燥6 h。隨后在真空環(huán)境中400℃保溫2 h進(jìn)行脫脂處理，脫脂后的坯體升溫至1400℃保溫1 h燒結(jié)。對(duì)力學(xué)性能試樣進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，檢測(cè)燒結(jié)態(tài)YG8硬質(zhì)合金性能。

圖5是經(jīng)過(guò)燒結(jié)處理的YG8硬質(zhì)合金角度銑刀。燒結(jié)成品收縮均勻，尺寸精度高，棱角分明，無(wú)明顯缺陷。

表2為本實(shí)驗(yàn)制得的YG8硬質(zhì)合金性能，可見(jiàn)其性能與傳統(tǒng)壓制燒結(jié)工藝制品的性能接近。

圖 5 3D冷打印YG8硬質(zhì)合金角度銑刀

結(jié)構(gòu)混雜復(fù)合材料

混雜是獲得高性能復(fù)合材料有效而且經(jīng)濟(jì)的方法，因?yàn)榛祀s可以兼顧兩種或多種復(fù)合材料的特點(diǎn)，使之起到相互彌補(bǔ)的作用，從而擴(kuò)大材料設(shè)計(jì)的自由度。通過(guò)在金屬料漿中添加不同種類的增強(qiáng)相，可以很容易地實(shí)現(xiàn)原材料的混雜；而借鑒多噴頭彩色打印的原理，以多個(gè)噴頭交替噴射不同成分和含量的金屬料漿，能夠同步打印結(jié)構(gòu)混雜復(fù)合材料。

同理，3D冷打印技術(shù)還能夠一體化成型交替貼合、單面貼層、雙面貼層和表面嵌條等結(jié)構(gòu)混雜類型中一種或多種組合構(gòu)成的復(fù)合材料，如圖6所示。

表 2 3D冷打印YG8合金性能與傳統(tǒng)工藝性能比較

圖 6 結(jié)構(gòu)混雜復(fù)合材料：(a) 交替貼合；(b) 單面貼層；(c) 雙面貼層；(d) 表面嵌條

結(jié)束語(yǔ)

本文采用3D冷打印技術(shù)制造的GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金封閉式葉輪和YG8硬質(zhì)合金角度銑刀，其形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計(jì)目的及要求，性能與粉末冶金同類制品相近。燒結(jié)態(tài)GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金密度為6.22g/cm3，硬度值HRC67，斷裂強(qiáng)度為1410MPa；YG8硬質(zhì)合金密度為14.71g/cm3，硬度達(dá)到HRA91，斷裂強(qiáng)度為2380MPa。

通過(guò)控制冷打印設(shè)備多個(gè)噴頭同步組合打印不同的金屬料漿，3D冷打印技術(shù)為宏觀結(jié)構(gòu)混雜復(fù)合材料的一體化制造提供了一種高可行性、高效率、低成本的工藝手段。

3D冷打印技術(shù)將低黏度、高固相含量的金屬料漿作為打印原料，適用于全部顆粒增強(qiáng)和短纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，產(chǎn)品外形無(wú)限制，使更多金屬基復(fù)合材料異形件的批量生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)。

北京科技大學(xué)的3D冷打印技術(shù)可應(yīng)用原材料范圍廣、成型能力強(qiáng)、產(chǎn)品精度高，并且設(shè)備造價(jià)低、生產(chǎn)效率高、系統(tǒng)易集成、投入工業(yè)化生產(chǎn)可能性高。經(jīng)北京國(guó)際高技術(shù)中心評(píng)估，認(rèn)為該技術(shù)經(jīng)熟化后具備極大的投資 價(jià)值，已經(jīng)具備商業(yè)開(kāi)發(fā)條件。聯(lián)系人：王靖元，項(xiàng)目經(jīng)理，北京國(guó)際高技術(shù)中心，聯(lián)系電話：18610010155。

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Metal Matrix Composite 3D Cold Printing Technology

/ ZHANG Xin-yue, GUO Zhi-

meng*, YANG Wei-wei, BAI Jian-ling, YE Qing, ZHANG Chao, ZHU Guo-feng, LIU Na, WANG Jing-yuan

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.03.23

北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京 100083